钻孔灌注桩桩端后压浆技术及工程应用

于志华,刘炎炎,宋 建,荣晓洋,崔文艳

(东北大学 资源与土木学院,辽宁沈阳110004)

近年来,随着城市建设的发展,高层建筑层次的增加,建筑物荷载越来越大,对钻孔灌注桩承载力的要求也越来越高,出现了砂砾碎石层、卵石层等作为持力层而承载力满足不了设计要求的现象,采用加大桩直径或增加桩根数的办法提高承载力,虽能达到有关要求,但对工期进度、工程造价等均有影响。因此,采用桩端和桩侧后压浆技术来提高灌注桩的承载力正成为工程实践中广泛应用的新技术。钻孔灌注桩后压浆技术是在成桩过程中,在桩底或桩侧预置压浆管路,待桩身混凝土初凝后、终凝前用高压注浆泵对桩底或桩侧注入特殊配方的浆液水泥或其他浆液,浆液渗透到地层或沉碴的孔隙、裂隙中,与桩底沉碴或地层介质的颗粒混合固结,在桩底挤密桩周土,在桩侧充填桩身与桩周土体间的间隙,像树根一样伸入土中,达到清除泥皮对摩阻力影响的效果。桩体后压浆,根据压浆部位设置不同,可分为桩端压力压浆、桩侧压力压浆和桩端桩侧联合压浆[1-4]。桩端后压浆技术由于施工简便、适应于各种地质条件、经济效益显著,在国内得到蓬勃发展。桩端后压桩是指钻孔灌注桩的桩身预埋压浆管,成桩后,将能固化的浆液(如纯水泥浆、水泥砂浆等)通过桩端的预留压浆装置均匀地注入桩端地层或密闭腔室中,使得桩底的沉渣得到固化,相当于人为制造了一个坚硬的持力层,使得注浆桩沉降值较小。

1 钻孔灌注桩后压浆增强机理

1.1 桩端压浆的增强机理

桩端压浆,浆液首先充填或渗透到最疏松的桩端的残碴间隙中,与残碴胶结固化,形成了强度较高的胶结体,从而消除了桩底沉碴的影响。随着桩端压浆压力的增加,水泥浆液充满残碴间隙后,继续充填由于在灌注桩身混凝土时因混凝土离析而形成的“虚尖”、“干碴石”等,增加了桩端混凝土的强度。随着压浆量的增加及注浆压力的提高,水泥浆液不断地向由于受泥浆浸泡而松软的桩端持力层中渗透,水泥浆与持力层土体相胶结,在桩端形成胶结楔形体,从而增加了桩端的承压面积,提高了钻孔灌注桩的桩端承载力。注浆压力对桩端持力层起压密的作用,提高了桩端土体的承载力,特别是由于桩端土层受到挤密预压,桩端阻力得以提前发挥出来,对应的单桩沉降量大大减小。当桩底注浆量不断增加、注浆压力不断升高时,浆液会沿桩侧壁向上渗透,充填桩侧与桩周土体间的间隙,同时向松散的土层、孔隙较大的砾砂层、卵石层和裂隙岩层渗透粘结。对粘土及粉土层,浆液的劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络,增大了土体之间的粘聚力和内摩擦角,从而提高了土体的强度。

1.2 桩侧压桨的增强机理

桩侧压浆是在钻孔灌注桩桩身(或桩侧土中)通过预先埋置的压浆管将水泥浆压人桩侧土体中,浆液充填桩侧混凝土与桩周土体间的间隙,提高了桩侧混凝土与桩周土体间的粘结力,从而提高了桩侧摩阻力。桩侧压浆可以消除孔壁泥皮对桩侧摩阻力的影响。由于压浆是在基桩完工后3 d～10 d内进行的,此时泥皮性能不稳定,在压力的拢动下,不稳定的泥皮被破坏,和浆液一起形成水泥粘土浆,而后重新胶结成形,形成了抗剪强度较高、与桩身牢靠粘结的环形固体。桩侧压浆,浆液充填了桩周土层中的孔隙,挤压密实了由于成孔时受泥浆浸泡而松软的桩周土,提高了土的抗剪强度。浆液和桩周土混合形成了一层复合型桩身,模糊了原桩身与桩周土的界线,相当于增大了桩径增大了桩侧摩阻力的作用面,从而提高了总侧摩阻力。随着注浆压力的增大,浆液横向向较弱的桩周土体中渗透,起渗透劈裂作用,浆脉则像树根一样横向伸入土中,从而改善了桩土的受力状态。桩侧压浆起挤密桩侧土体作用,使桩周土侧压力增大,这对于摩擦角较大的砂类土,抗剪强度会增大。高压注浆可以对质量事故桩进行补强加固,浆液以充填渗透和挤密的方式取代事故段或缺陷部位孔隙内的水分和空气,使原来松散的部位被水泥浆胶结固结,并与完好桩身胶结形成一个整体,起到惰性充填作用和化学胶结作用。桩端桩侧联合压浆的增强机理等同于将前面两种增强机理相结合[5-8]。

2 钻孔灌注桩桩端后压浆施工工艺流程

钻孔灌注桩端后压浆施工工艺是在钻孔灌注桩成孔后,经清孔,在下放的钢筋笼上预置压浆孔道(留无缝钢管),待桩基混凝土灌注且达到一定强度后,即先疏通预留压浆管,然后将先拌制好的水泥(水灰比有具体规定)通过压浆机械(压浆泵)经预留孔压至桩端持力层并渗入持力层孔隙间,达到一要求后停止压浆,注入的水泥浆凝结后与持力层形成一个整体,从而提高桩基的承载能力。钻孔灌注桩端后压浆工艺流程见图1。

图1 钻孔灌注桩端后压浆工艺流程图

3 工程应用

3.1 工程概况

沈阳盛世长安项目拟建成集甲级写字楼、高档公寓式酒店、住宅楼及旗舰型商业为一体的大型商住综合体,总建筑面积约为223 652 m2,建筑高度100 m～210 m。本工程拟建建筑物主要包括:6层商业裙楼建筑2栋,35～37层住宅楼3栋,建筑高度118 m～135 m;40层公寓式酒店1栋,建筑高度160 m;38层甲级写字楼1栋,建筑高度210 m;本工程设3层地下室(基底埋深按17 m考虑)基底持力层为⑥砾砂(局部为⑤圆砾层),场地地层为:①杂填土:主要由碎砖、碎石、碎水泥块、粘性土、炉渣组成。层厚0.90 m～6.20 m;②素填土:由淤泥质土、粉土和少量中粗砂组成。层厚:0.80 m～5.20 m;③粉质粘土:可塑,饱和,干强度中等,局部分布。层厚:0.50 m～3.20 m;④中砂:以长石、石英为主,局部为粗砂层。层厚0.60 m～5.70 m;⑤圆砾:以火成岩为主,亚圆形,颗粒大小不均匀。层厚0.6m～7.6 m;⑥砾砂:黄褐色,以长石、石英为主,级配较好,最大粒径10 cm,中密,湿度很湿。局部为粗砂、圆砾层。层厚0.60 m～13.20 m不等;⑦圆砾:以火成岩为主。该层最大揭露厚度为21.60 m。

本工程桩长约为29 m,桩径ø800 mm,桩身采用C40混凝土。由于桩基持力层为砾砂层,桩端注浆对于其承载力和沉降的控制应该有较好的效果。为了对桩端注浆桩和非注浆桩单桩竖向极限承载力进行比较,分析本工程砾砂层注浆效果,设计要求对1号、2号楼做6组静载试验桩(总桩数为734根),其中4根为桩端注浆桩,注浆量为1.8 t,注浆压力为4.5 MPa,2根为未注浆桩。

3.2 静载试验

静载试验[9-10]采用锚桩-反力架装置,即每根测试桩的竖向反力由邻近的锚桩提供,采用慢速维持荷载法进行静载试验,在实验之前先对试桩桩头进行局部加强,并用厚度为5 mm的钢套筒围护桩头。加载系统由4台6 300 kN的千斤顶、油泵及相应的油压表、连接管等组成。为了保证加载过程中各千斤顶负荷相同和行程同步,将4台千斤顶以并联的方式均匀布置在试验桩头的桩帽钢板上。由4根锚桩、2根主梁组成的锚桩-反力梁为反力装置(现场试验见图2)。试桩沉降变形由4个量程50 mm(可调)的数显示位移计测读,位移计按正交直径方向对称安装在桩顶下500mm处,为直接测定桩周各土层的极限侧摩阻力,在各相邻土层的交界面设置测试断面,当土层厚度较大时,在土层中部增设几个测试断面,在桩顶下0.5 m处设一应变测试断面,作为传感器标定断面,在桩端埋设2个振弦式单模土压力盒测试桩端阻力,为监控锚桩上拔位移,在4个锚桩的桩头各设一块百分表。

图2 静载试验

试验分级加载,分级荷载取试验荷载的1/10,即1 500 kN,第一级取分级荷载的2倍,即3 000 kN。每级荷载施加后,按第 5 min、15 min、30 min、45 min、60 min测读桩顶沉降量,以后每30 min测读一次;当每1 h内的桩顶沉降量不超过0.1 mm,并连续出现2次(从分级荷载施加后第30 min开始,按1.5 h连续3次每30 min的沉降值计算),即视为桩顶沉降速率达到相对稳定标准,可施加下一级荷载。达到规范规定的终止加载条件即可卸载,每级卸载量取加载值的2倍,即3 000 kN。

单桩竖向极根承载力可以由三种方法确定:

(1)根据Q-S曲线有明显陡降段的起点为极限承载力。

(2)根据沉降确定:当Q-S曲线有明显特征S=40 mm对应荷载。

(3)根据沉降值随时间变化特征确定,lgt-S曲线尾部出现明显下弯的前一级荷载。

本工程中1号楼的45号、214号桩和2号楼的63号、326号桩均为桩端注浆桩,其静载试验结果见表1。1号楼的126号桩和2号楼的184号桩均为未注浆,其静载试验结果见表2。

表1 注浆桩静载试验结果

表2 未注浆桩静载试验结果

3.3 试验分析

本工程的注浆桩与非注浆桩静载试验荷载-沉降曲线对比见图3,实验结果表明1号楼注浆桩单桩竖向极限承载力为15 000 kN,非注浆桩单桩竖向极限承载力为10 000 kN,说明注浆桩单桩竖向极限承载力比非注浆单桩竖向极限承载力能提高50%以上。2号楼注浆桩单桩竖向极限承载力为14 500 kN,非注浆单桩竖向极限承载力为9 500 kN,说明注浆桩单桩竖向极限承载力比非注浆单桩竖向极限承载力能提高52.6%以上。当荷载较小时,桩顶即产生沉降。当未注浆的试桩1～126加载到荷载为9 000 kN时,桩顶沉降约为20.99mm;而采用桩端后注浆的试桩1～45在9 000 kN时桩顶沉降为8.27 mm,说明桩端后注浆的试桩桩顶沉降比未注浆的沉降值小。也就是说,桩端后注浆可以减少沉降量,使得桩底的沉渣及卵石层得到固化。在试验桩1～45加载至15 000 kN时,桩顶累计总沉降量为17.52 mm,小于40 mm。各试验桩在每级试验荷载作用下本级的沉降量与前一级荷载的沉降量的比值在0.58～1.76之间,均小于前一级荷载作用下沉降量的2倍。卸载后,桩顶的残余沉降为8.96 mm。最大回弹量为8.56 mm,回弹率为48.9%。荷载-沉降曲线上尚未出现可判定极限承载力的陡降段,试桩1～45的沉降-时间对数曲线见图4,如图4所示没有出现明显的下弯折点。综上所述,该桩尚未出现破坏的特征,因此可推定试验荷载尚未达到该桩的破坏荷载。

图3 各试桩荷载—沉降曲线对比图

4 结 语

图4 试桩S-lgt曲线

本文首先给出钻孔灌注桩后压浆增强机理和钻孔灌注桩桩端后压浆的施工工艺,并以沈阳盛世长安项目为依托,工程采用慢速维持荷载的静载试验方法,研究了钻孔灌注桩桩基持力层为砾砂层的地质条件下的荷载-沉降曲线和沉降-时间对数曲线,通过试验得出如下结论:随着荷载的增加,桩顶位移逐渐增大,荷载沉降关系呈一条平滑的曲线,但荷载-沉降曲线上尚未出现可判定极限承载力的陡降段,沉降-时间曲线没有出现明显的下弯折点,该桩尚未出现破坏的特征,因此可推定试验荷载15 000 kN尚未达到该桩的破坏荷载。并通过实验数据测定注浆桩单桩竖向极限承载力比非注浆单桩竖向极限承载力能提高50%以上。

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